鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固石墻抗剪性能試驗研究

李 梁 峰

(1.福建省建筑科學(xué)研究院， 福建 福州 350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室， 福建 福州 350025)

石結(jié)構(gòu)建筑是福建省閩南地區(qū)常見的傳統(tǒng)房屋樣式之一。由于石結(jié)構(gòu)建筑大多采用干砌甩漿方法砌筑，其結(jié)構(gòu)整體性和抗震性能很差[1-3]。由于福建地處我國東南地震帶，進行此類建筑加固是當前建設(shè)部分的工作重點之一。

對于砌體結(jié)構(gòu)的抗震加固，目前有斜拉筋加固[4-5]、豎向預(yù)應(yīng)力加固[6]、鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固[7-9]、鋼筋混凝土面層[10-12]、機織土工布[13]等多種加固方法。此外，針對石結(jié)構(gòu)灰縫強度低的特點，黃凱等[14]提出了丁字銷鍵拉結(jié)加固法，郭子雄等[15-17]提出了嵌縫加固方法。在這些方法中，鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固應(yīng)用的最為廣泛，成熟。但目前尚未有學(xué)者對鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固干砌甩漿條石墻的抗剪性能進行研究。

本文按傳統(tǒng)方法制作了9片閩南地區(qū)常見的干砌甩漿條石墻，并采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層對其進行加固。通過壓剪試驗對其加固效果進行試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試件情況

本次試驗的石墻由福建省惠安的匠人砌筑，采用當?shù)爻Ｒ姷挠袎|片干砌甩漿砌筑工藝。砌筑條石選用從惠安當?shù)嘏f房拆下的花崗巖粗料石，實測石材平均立方體抗壓強度為149.5 MPa。由于在不同建筑時間，石砌體灌縫砂漿的強度差別較大。為模擬實際情況，本次試驗按照閩南地區(qū)民間施工工藝，分別采用高強度和低強度的兩種砂漿進行甩漿填縫。高強度砂漿為水泥砂漿，其體積配比為黃土∶水泥∶砂=1∶3∶9，其實測立方體抗壓強度為25.6 MPa；低強度砂漿為白灰(生石灰)砂漿，其體積配比為水泥∶砂∶白灰∶黃土=1∶2∶2∶2，強度極低，其實測立方體抗壓強度為0.4 MPa。

采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層對石砌體進行加固。加固砂漿質(zhì)量配比為水泥∶砂=1∶2，實測立方體抗壓強度為22.2 MPa。加固用的水平鋼筋采用直徑為6 mm的HPB300鋼筋，其實測屈服強度為423.5 MPa，極限強度為660.5 MPa，彈性模量為214.5 GPa。豎直鋼筋采用直徑為8 mm的HPB300級鋼筋，實測其屈服強度為382 MPa，極限強度為603 MPa，彈性模量為211.4 GPa。

本試驗共制作了9個石墻試件，參照《砌體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》[18](GB 50702—2011)對石墻進行加固，相關(guān)參數(shù)見表1。按石墻砌筑用砂漿可分為水泥砂漿與白灰砂漿兩類條石墻，分別進行加固施工和試驗研究。每個試件由鋼筋混凝土地梁、5皮條石砌筑的墻體和鋼筋混凝土頂梁組成，砌筑灰縫厚度約為30 mm。未加固試件見圖1，單面加固或雙面加固構(gòu)造試件施工過程及配筋見圖2、圖3。雙面鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固試件采用穿過灰縫的S形拉結(jié)筋進行拉結(jié)，單面加固的試件采用L型筋進行拉結(jié)，L型拉結(jié)筋植入石墻體內(nèi)120 mm。鋼筋網(wǎng)的豎向鋼筋植入到了地梁及壓梁中。

1.2 加載制度及量測內(nèi)容

試驗裝置見圖4。豎向荷載由位于基礎(chǔ)之下的千斤頂施加，通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線和鋼梁將荷載加到試件頂梁上。為使試件在水平荷載下不出現(xiàn)拉應(yīng)力，豎向荷載為偏心荷載，加載位置離試件頂梁端部200 mm。

試件水平荷載由油壓千斤頂施加，且垂直荷載始終維持為水平荷載的1.5倍。試驗中，每級加載10 kN。

為測量墻體應(yīng)變，在加固面層，水平鋼筋、豎直鋼筋及拉結(jié)筋布置鋼筋電阻應(yīng)變片。為量測試件的水平剪切變形，在試件底部和頂部均布置了水平位移計。

表1 試件參數(shù)

圖1 未加固試件圖

圖2試件鋼筋網(wǎng)加工圖

圖3 鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固構(gòu)造做法

圖4試驗裝置

2 試驗現(xiàn)象

2.1 未加固試件

GQ-1、GQ-2、GQ-3為未加固試件。墻體出現(xiàn)裂縫之前，試件沒有明顯的變化。當水平荷載接近初裂荷載時，可以聽到石材和墊塊相互摩擦發(fā)出的細微響聲。至初裂荷載時，伴隨著劈裂的聲音，試件的水平向灰縫先出現(xiàn)細小裂縫；繼續(xù)加載，裂縫不斷擴展延伸，并逐漸出現(xiàn)豎向灰縫上的裂縫，裂縫逐漸貫通，形成階梯型的破壞裂縫。在接近極限荷載時，砂漿灰縫因裂縫太大而脫落，見圖5。

由試驗可知，未加固試件的破壞水平荷載低，由水泥砂漿灌縫的石砌體墻分別為80 kN和120 kN；由白灰砂漿灌縫的石砌體墻為10 kN，白灰砂漿砌筑石墻的初裂荷載遠小于水泥砂漿石墻。石墻在壓剪荷載下的破壞模式均為剪切破壞，灰縫為墻體的薄弱部分，主裂縫區(qū)域的墊塊出現(xiàn)了不同程度的滑移和壓碎。

2.2 單面加固試件

圖5未加固試件破壞形態(tài)

GQ-6、GQ-9為單面加固試件。單面鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固的構(gòu)件的裂縫均先出現(xiàn)在未加固面的灰縫處。隨著水平荷載的增加，加固面也出現(xiàn)裂縫。隨荷載繼續(xù)增加，裂縫不斷發(fā)展，未加固面的裂縫沿階梯型發(fā)展，加固面的裂縫大致沿試件的對角線發(fā)展。當水平荷載增加到極限荷載時，加固面的砂漿裂縫迅速發(fā)展，部分砂漿脫落，主裂縫附近的砂漿面層出現(xiàn)大面積的空鼓現(xiàn)象；未加固面的砌筑砂漿在極限荷載下呈階梯狀貫通，部分灰縫砂漿脫落，試件的破壞形態(tài)見圖6。

圖6單面加固試件破壞形態(tài)

試驗結(jié)束后剝開砂漿面層，發(fā)現(xiàn)原石墻體的裂縫沿灰縫呈現(xiàn)階梯狀，走向與面層砂漿裂縫基本一致，裂縫內(nèi)部墊塊出現(xiàn)輕微的滑移和壓碎現(xiàn)象。而砌筑用條石并沒有出現(xiàn)裂縫。鋼筋網(wǎng)與原石墻體錨固良好，沒有拉結(jié)筋被拔出的現(xiàn)象。此外，在單面加固試件加載過程中，未出現(xiàn)受力不對稱而產(chǎn)生的明顯平面外變形。可見，鋼筋網(wǎng)水泥砂漿的單面加固是可行的。

2.3 雙面加固試件

雙面加固試件GQ-4、GQ-5、GQ-7、GQ-8為雙面加固試件。在面層出現(xiàn)初裂縫之前，加載過程中可聽到石頭脆裂聲音，可見原石墻較加固面層更易發(fā)生錯位變形。初裂時，雙面加固試件均在兩側(cè)同時出現(xiàn)細小裂縫，裂縫沿試件對角線方向。隨著水平荷載的增加，可以持續(xù)的聽到砂漿面層劈裂及裂縫擴展的聲音，且裂縫不斷沿對角線延伸發(fā)展。達到極限荷載時，加固面層的裂縫迅速擴展，砂漿裂縫附近出現(xiàn)明顯的空鼓與隆起現(xiàn)象，部分面積砂漿發(fā)生脫落。雙面加固構(gòu)件的破壞形態(tài)見圖7。

在試件結(jié)束之后剝開砂漿加固面層，原石墻砌體的砌筑砂漿灰縫裂縫較細小，呈階梯型，其走向和加固面層的裂縫走向基本一致，內(nèi)部的墊塊未出現(xiàn)明顯的滑移和壓碎現(xiàn)象。鋼筋網(wǎng)與原石墻體錨固良好，不存在拉結(jié)筋被拔出的現(xiàn)象。豎向的鋼筋沒有變形，但位于試件中部的水平向鋼筋出現(xiàn)了彎曲現(xiàn)象，與黃忠邦[9]實驗結(jié)果相似。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試件承載能力及延性

未加固試件的初裂荷載和極限荷載結(jié)果如表2所示，表中Pcr表示初裂時對應(yīng)的水平荷載，Pmax表示極限水平荷載。由表2可知GQ-1和GQ-2的開裂荷載分別為80 kN和120 kN，相差50%，而極限荷載分別為150 kN和170 kN，相差13.3%。開裂荷載的離散性大于極限荷載，其主要原因是開裂荷載受墊塊數(shù)量、灰縫的飽滿程度等因素較大。

圖7 雙面加固試件破壞形態(tài)

此外，對比GQ-1和GQ-3可以發(fā)現(xiàn)，砂漿強度對墻體開裂荷載和極限強度的影響極大，試件GQ-1的極限荷載是GQ-3的3倍。

采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿單面加固或雙面加固的方式均能大幅度提高石砌體的初裂荷載及極限荷載。表2計算了加固后極限荷載的提高幅度，兩種不同砂漿強度的墻體分別以GQ-1和GQ-3為基準。從表2中可以看出改變水平鋼筋的間距或者增加加固砂漿面層的厚度，都能明顯增強加固效果。

各試件初裂和極限荷載時對應(yīng)的頂點位移值見表3，表中Δcr、Δmax分別表示初裂荷載時對應(yīng)的頂點側(cè)移值、極限荷載時對應(yīng)的頂點側(cè)移值。采用峰值位移延性比μ=Δmax/Δcr來計算試件的延性。

表3 各試件初裂和極限荷載時對應(yīng)的頂點位移值

由表3可知，經(jīng)鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固后，試件的峰值位移延性比有所降低。白灰砂漿砌筑的試件位移延性比下降明顯。雙面加固試件的位移延性比小于單面加固試件。說明用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固之后，原石墻體的延性有了增加且采用單面加固與雙面加固類型對加固后墻體的延性影響不大。

各試件頂點側(cè)移和荷水平荷載關(guān)系曲線圖如圖8、圖9所示。從頂點位移隨水平荷載的變化曲線可知，原石墻砌體經(jīng)加固之后抗側(cè)剛度和水平極限荷載都有大幅提高。從圖9中可見雙面加固試件的抗側(cè)移剛度提升更為明顯。GQ-4試件剛度提高較少，其原因是其原石砌體砌筑過程中，灰縫填塞不飽滿，在豎向荷載作用下，石砌塊被壓裂，加固面層產(chǎn)生空鼓，因而降低了加固效果。

圖8 水泥砂漿砌筑石墻頂點位移和水平荷載關(guān)系曲線圖

圖9白灰砂漿砌筑石墻砌頂點位移和水平荷載關(guān)系曲線圖

3.2 水平、豎直鋼筋應(yīng)變

在加固鋼筋網(wǎng)水平、豎直鋼筋上布置應(yīng)變片(見圖10)，了解鋼筋在加載過程中的受力情況。由于試件中鋼筋的受力情況大體類似，本文以GQ-9為例進行說明。GQ-9的應(yīng)變布置如圖11所示。圖中H表示水平鋼筋應(yīng)變片，V表示豎直鋼筋應(yīng)變片。豎直鋼筋應(yīng)變和水平鋼筋見圖11、圖12。

從鋼筋應(yīng)變圖中可看出，在試件初裂前，水平鋼筋和豎向鋼筋的應(yīng)變均處于一個較低的應(yīng)力水平。當試件出現(xiàn)裂縫后，鋼筋的應(yīng)變開始迅速增加。

由圖11可以看出豎向鋼筋主要承受壓應(yīng)力。加載初期，V4應(yīng)變片所在位置位于離加載點較遠側(cè)的底部，此時豎直鋼筋處于受拉狀態(tài)，其余豎向鋼筋在加載初期均為受壓狀態(tài)。當試件產(chǎn)生裂縫后，位于試件中部的大部分豎向鋼筋的應(yīng)力轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)，如V2、V3應(yīng)變片所在位置的豎向鋼筋。這是因為當試件開裂以后，豎向鋼筋承擔(dān)拉力，以產(chǎn)生抵抗彎矩。同時從V3，V4的應(yīng)變變化上分析，由于墻體較長，延水平截面的應(yīng)變情況不完全符合平截面假定。

圖10 水平及豎直鋼筋應(yīng)變布置圖

圖11 GQ-9豎直鋼筋應(yīng)變圖

圖12 GQ-9水平鋼筋應(yīng)變變化圖

由圖12可以看出，在加載初期，水平鋼筋處于較低的應(yīng)力水平。由于應(yīng)變片均布置于斜向壓力區(qū)間內(nèi)，水平鋼筋主要承受壓應(yīng)力。位于豎向加載點下的水平鋼筋更為明顯。隨水平荷載的增加，試件裂縫逐漸出現(xiàn)，此時水平鋼筋的受力由壓力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔Γ鴫w抗剪機制逐漸轉(zhuǎn)變成混凝土斜向受壓，鋼筋受拉的桁架模式。

試件初裂時，各構(gòu)件水平鋼筋及豎向鋼筋的應(yīng)變分別見表4、表5。極限荷載時，各構(gòu)件水平鋼筋的應(yīng)變值見表6。其中，橫向及豎向的1號及4號均為位于試件角部的鋼筋，2號、3號為位于試件中部的鋼筋。從表4～表6中可知，初裂時絕大多數(shù)鋼筋均處于較低的應(yīng)力水平下，說明試件的抗剪承載能力最開始時主要由加固面層的砂漿來承擔(dān)，當砂漿出現(xiàn)裂縫后，鋼筋逐漸地在承擔(dān)水平荷載時起主要作用。

表4 初裂時各構(gòu)件水平鋼筋應(yīng)變

表5 初裂時各構(gòu)件豎直鋼筋應(yīng)變

表6 極限荷載時構(gòu)水平鋼筋應(yīng)變

4 結(jié) 論

(1) 干砌甩漿石砌體經(jīng)鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固后，其抗剪承載能力、剛度、延性均可以得到提高，其中抗剪承載能力一般可提高1倍～3倍。

(2) 鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固的干砌甩漿石砌體，在水泥砂漿面層開裂以前，原石墻和加固面層可以協(xié)同工作。

(3) 鋼筋網(wǎng)水泥砂漿單面加固也極大提高石砌體的抗剪承載能力，不會出現(xiàn)因受力不均勻而產(chǎn)生的墻體扭曲。

(4) 鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固面層中的鋼筋網(wǎng)，在水泥砂漿初裂之前，均處于較低的應(yīng)力水平，其中絕大多數(shù)水平鋼筋處于受拉的狀態(tài)，豎直鋼筋處于受壓狀態(tài)。只有當加固的水泥砂漿面層開裂以后，鋼筋的應(yīng)力會迅速增長，少數(shù)的鋼筋會屈服。

參考文獻：

[1] 郭子雄,柴振嶺,胡奕東，等.條石砌筑石墻抗震性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2011,32(3):57-63.

[2] 張淑嫻.粗料石砌體房屋振動臺試驗研究[D].南京:東南大學(xué),2015:1-8.

[3] 林建華,王全鳳,施養(yǎng)杭.石砌體結(jié)構(gòu)抗震性能機器模糊抗震可靠度的研究[J].土木工程學(xué)報,1998,31(6):40-48.

[5] 章雪峰,金 成,楊俊杰.夏章平砌體磚墻抗震加固效果的有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2013,43(S2):693-696.

[6] 吳 濤.體外預(yù)應(yīng)力石結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].南京:東南大學(xué),2016:1-20.

[7] 李 明,王志浩.鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固低強度砂漿磚砌體的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2003,33(10):34-36.

[8] 許清風(fēng),江歡成,朱 雷，等.鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固舊磚墻的試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2009，42(4):77-84.

[9] 黃忠邦.水泥砂漿及鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體試驗[J].天津大學(xué)學(xué)報,1994,27(6)：764-770.

[10] 孫 潮,陳寶春.鋼筋混凝土面層加固石砌體軸心受壓構(gòu)件材料強度利用系數(shù)和可靠度分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,41(6):1104-1109.

[11] 王 穩(wěn).混凝土板墻加固磚墻受剪承載力計算方法[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011:41-73.

[12] 樓永林.夾板墻的試驗研究與加固設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,1988,9(4):3-14.

[13] 鄭人逢,孫 青,律 清,等.長絲機織土工布砌體結(jié)構(gòu)加固靜載試驗研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2015,13(4):205-209.

[14] 黃 凱,陳蕭魁,王 雷.丁字銷鍵拉結(jié)加固干砌條石墻抗震性能試驗研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2016,14(6):195-201.

[15] 郭子雄,柴振嶺,胡奕東，等.嵌縫加固條石砌筑石墻抗震性能試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2010,43(S1):136-141.

[16] 劉 陽,郭子雄,劉寶成，等.嵌埋CFRP筋組合石梁受彎性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2011,32(3):84-90.

[17] 劉小娟,郭子雄,胡奕東，等.聚合物砂漿嵌縫加固石墻灰縫抗剪性能研究[J].地震工程與工程振動,2010,30(6):106-111.

[18] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.砌體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范:GB 50702—2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.